Тепловые свойства графита полное руководство по параметрам

Ключевые тепловые свойства графита: обзор

Графит — уникальный материал с выдающимися тепловыми характеристиками, которые делают его востребованным в самых разных отраслях, от электроники до аэрокосмической промышленности. Рассмотрим основные тепловые свойства графита, которые важны для инженеров и разработчиков:

• Теплопроводность

  Графит обладает высокой теплопроводностью, которая варьируется в зависимости от структуры и типа графита. В некоторых случаях она достигает 150–2000 Вт/(м·К), что помогает эффективно рассевать тепло. Особенно высока теплопроводность по плоскости слоев (изотропные и псевдоизотропные марки).

• Коэффициент теплового расширения (КТР)

  Графит отличается крайне низким КТР — в диапазоне 0,5–5,0 × 10⁻⁶ 1/К, что значительно ниже, чем у металлов (сталь, медь) и многих керамик. Это обеспечивает стабильность размеров при нагреве и минимальное термическое напряжение.

• Удельная теплоёмкость

  Значение теплоёмкости графита составляет около 0,7–1,7 Дж/(г·К) при комнатной температуре, что позволяет накапливать и быстро отдавать тепло. Этот параметр варьируется с ростом температуры вплоть до 3000 °C.

• Устойчивость к тепловому удару

  Графит успешно выдерживает резкие перепады температуры благодаря своей структуре и термостойкости. Особенно хорошо в этой области показан мелкозернистый изотропный графит, который минимизирует трещинообразование при циклическом нагреве и охлаждении.

• Максимальная рабочая температура и окислительная стойкость

  Графит способен работать при экстремальных температурах до 3650–3700 °C в вакууме или инертной атмосфере. Однако в воздухе начинается активное окисление при температурах от 400 до 600 °C, что требует применения защитных покрытий. Очистка и композитные материалы (C/C) улучшают стойкость к окислению и расширяют рабочий температурный диапазон.

Понимание этих тепловых характеристик критично для подбора правильного графита под конкретные задачи. В следующих разделах мы более подробно рассмотрим каждое из этих свойств и их практическое значение.

Теплопроводность графита: подробные данные и сравнения

Теплопроводность графита сильно зависит от его структуры — различают анизотропный и изотропный графит. Главное отличие — направленность теплообмена:

• Анизотропный графит (например, экструзионный, пиролитический) имеет высокую теплопроводность вдоль плоскости слоев (in-plane), но значительно ниже — в направлении через толщу (through-plane).
• Изотропный графит (например, изостатически спечённый) обладает более равномерными теплофизическими свойствами во всех направлениях, но теплопроводность ниже, чем у анизотропного в плоскости.

Сравнение теплопроводности различных видов графита (в Вт/м·К при 300 K)

Вид графита	In-plane, Вт/м·К	Through-plane, Вт/м·К
Натуральный хлопьевый	150 – 200	5 – 10
Синтетический	100 – 150	10 – 15
Изостатический	80 – 120	80 – 120
Экструзионный	120 – 160	10 – 15
Пиролитический	300 – 1500	2 – 10
Графен-улучшенный	до 2000	зависит от структуры

Температурная зависимость

Теплопроводность графита снижается с ростом температуры, особенно выше 1000 K. В диапазоне от 300 K до 3000 K теплопроводность меняется так:

• При 300 K — максимальные значения.
• До 1500 K — снижение теплопроводности на 10–30%.
• Выше 2000 K — резкое падение из-за усиленного Фонон-phonon scattering.

Итог

• Для задач с передачей тепла по поверхности лучше подходит пиролитический или графен-усиленный графит.
• Изотропный графит удобен для равномерного теплообмена в объёме.
• Натуральный хлопьевый графит хорош по соотношению цена/производительность.

Для выбора подходящего варианта обратите внимание на наши мягкие графитовые войлоки и другие решения для эффективного теплоотвода.

Коэффициент теплового расширения (КТР): Почему графит лучше металлов

Графит выделяется особенно низким коэффициентом теплового расширения (КТР), который варьируется примерно от 0,5 до 5,0 × 10⁻⁶/К. Это значит, что при нагревании он почти не меняет своих размеров. Для сравнения: у большинства металлов этот показатель значительно выше, что вызывает деформации и трещины при циклическом нагревании.

Особенности КТР графита:

• Анизотропия: У экструдированного графита КТР сильно зависит от направления — вдоль волокон он минимален (около 0,5 × 10⁻⁶/К), а поперёк может быть в 5-10 раз больше.
• Изостатически прессованный графит более однороден, с КТР ближе к среднему значению (2–3 × 10⁻⁶/К), что удобно для конструкций с разными направлениями нагрузки.

Сравнение КТР материалов, ×10⁻⁶/К

Материал	КТР, ×10⁻⁶/К
Экструдированный графит	0,5 — 5,0 (направление)
Изостатический графит	2,0 — 3,0
Сталь	11 — 13
Медь	16 — 17
Вольфрам	4,5 — 5,0
Кремний карбид (SiC)	4,0 — 5,0
Алюминий оксид (Al₂O₃)	7,0 — 8,5

Почему это важно

• Низкий КТР графита сводит к минимуму термические напряжения при нагреве и охлаждении.
• Материалы со схожим с графитом КТР часто дороже и сложнее в производстве.
• Для задач, где особенно важна стабильность размеров под высокими температурами, графит — отличное решение.

Подробнее о свойствах и типах графита для термоприменений можно узнать на странице терморасширяющийся графит.

Удельная теплоёмкость и способность к накоплению тепла

Удельная теплоёмкость графита — важный параметр, который показывает, сколько тепла материал может накопить при нагреве. С точки зрения значений, удельная теплоёмкость графита варьируется примерно от 0,7 до 1,0 Дж/(г·К) при комнатной температуре и постепенно изменяется по мере повышения температуры, оставаясь стабильной до 3000°C. Эта особенность делает графит отличным материалом для накопления и передачи тепла в экстремальных условиях.

Для сравнения: у меди удельная теплоёмкость составляет около 0,38 Дж/(г·К), а у большинства тугоплавких металлов она еще ниже. Это значит, что графит способен накапливать примерно в два раза больше тепла на единицу массы, чем медь, что особенно важно в высокотемпературных процессах и тепловых системах, где требуется эффективное распределение и аккумулирование энергии.

Также стоит отметить, что благодаря своей структуре, графит лучше удерживает тепло с меньшими потерями при нагреве и охлаждении, что выгодно выделяет его среди огнеупорных материалов и делает востребованным в промышленных печах, теплообменниках и других технологических устройствах.

Если вы выбираете графит для задач, связанных с тепловым накоплением, обратите внимание на высокочистые и специальные марки, которые обеспечивают стабильные тепловые свойства и долговечность в эксплуатации. Подробнее о различных вариантах графита и их свойствах можно узнать на странице продукции сверхчистый графит.

Ударная термостойкость – главное преимущество при циклическом нагреве

Ударная термостойкость графита — это способность материала выдерживать резкие перепады температуры без разрушения. Одним из ключевых показателей здесь служат параметры термического удара по Хассельману (Hasselman thermal shock parameters), которые учитывают теплопроводность, коэффициент расширения и механическую прочность.

Особенно хорошо в условиях быстрого нагрева и охлаждения показывает себя мелкозернистый изотропный графит. Его однородная структура равномерно распределяет напряжения, возникающие при тепловом шокировании, что существенно снижает риск появления трещин и повреждений. Такие свойства делают его идеальным выбором для печей, теплообменников и других промышленных процессов с циклическими тепловыми нагрузками.

Для промышленного применения рекомендуем рассмотреть мелкозернистый изотропный графит, который можно найти в нашем ассортименте графитовых продуктов Gotrays, где собраны материалы с оптимальными параметрами термостойкости и стабильности.

Ключевые преимущества мелкозернистого изотропного графита по ударной термостойкости:

• Однородная структура без направленности, минимальное внутреннее напряжение
• Высокая теплопроводность снижает локальные перегревы
• Низкий коэффициент теплового расширения уменьшает термические деформации
• Отличная сопротивляемость многократным циклам нагрева/охлаждения

В итоге, если ваша задача — обеспечить надежную работу оборудования при резких температурных колебаниях, мелкозернистый изотропный графит — ваш выбор номер один.

Рабочая температура и устойчивость графита к окислению

Графит отлично себя показывает при экстремально высоких температурах. Его точка сублимации находится в районе 3650–3700°C при воздействии в инертной среде или вакууме, что значительно выше большинства металлов и керамик. Это делает графит надежным материалом для использования в условиях высокой температуры, например, в металлургии и аэрокосмической отрасли.

Однако в воздушной среде начинается процесс окисления уже при более низких температурах — обычно около 400–600°C, что ограничивает использование графита без дополнительной защиты. Для повышения устойчивости применяют специальные защитные покрытия или работают в контролируемых атмосферах (аргон, азот), чтобы избежать разрушения материала.

Особенно интересны в этом плане высокочистые сорта графита и композиты на основе углерод-углеродных (C/C) материалов. Они демонстрируют улучшенную стойкость к окислению и сохраняют механические и тепловые свойства при длительном нагреве. Подробнее о видах и свойствах высококачественного графита можно узнать на примере продукции, например, графитовой фольги, которую поставляет компания Gotrays.

Таким образом, выбор правильного графита и условий эксплуатации — залог долговечной работы в высокотемпературных режимах с минимальными рисками окисления.

Как сорт графита влияет на тепловые свойства (данные 2025 года)

Выбор сорта графита напрямую влияет на его тепловые характеристики. На 2025 год выделяют несколько основных типов с разными свойствами, которые подходят для специфических задач:

• Мелкозернистый изостатический графит (например, Gotrays G330, G347)
  Отличается высокой однородностью и низкой пористостью. Имеет отличную теплопроводность (в среднем 150–180 Вт/м·К) и стабильный низкий коэффициент теплового расширения (0,5–3 × 10⁻⁶ /К). Хорошо выдерживает термошок и длительную эксплуатацию в высокотемпературных условиях.

  Среднезернистый экструдированный графит

  Имеет чуть более высокую пористость и грубую структуру, что отражается на снижении теплопроводности (около 100–130 Вт/м·К). Зато его себестоимость ниже, а механическая прочность достаточна для многих промышленных применений — от теплообменников до печей.

• Высокочистый полупроводниковый графит

  Очень важен для электроники и LED-индустрии, где нужны высокая теплопроводность и минимальное количество примесей. Его тепловые свойства сопоставимы с мелкозернистым изостатическим графитом, но с акцентом на чистоту материала.

• Вибратоформованный крупногабаритный графит

  Используется для крупных корпусов и подложек с низкими тепловыми деформациями. Его теплопроводность ниже, однако стабильность размеров и термическая стойкость остаются важным преимуществом.

• Пиролитический и специализированный графит

  Отличается анизотропными тепловыми свойствами: высокая теплопроводность в плоскости, но низкая по толщине. Идеален для тепловых рассеивателей и теплоизоляции с направленным отводом тепла.

Графит	Теплопроводность (Вт/м·К)	Коэффициент теплового расширения (×10⁻⁶ /К)	Основные применения
Gotrays G330/347	150–180	0,5–3	Высокотемпературные зоны
Экструдированный	100–130	3–5	Общепромышленные задачи
Полупроводниковый	150+	0,5–3	Электроника, LED
Вибратоформованный	90–120	3–5	Крупные изделия с низкой деформацией
Пиролитический	200–400 (в плоскости)	2–4	Специализированные теплоотводы

Для заказчиков из России важно также учесть, что мелкозернистые изостатические сорта типа Gotrays не только обеспечивают отличные тепловые характеристики, но и обладают хорошей доступностью на местном рынке. Это снижает время исполнения заказов и оптимизирует затраты. Подробнее о характеристиках такого графита можно посмотреть на сайте Gotrays.

Таким образом, при выборе графита для тепловых задач стоит ориентироваться не только на теплопроводность, но и на зернистость, чистоту и способ производства. Это поможет добиться оптимального баланса между эффективностью, долговечностью и стоимостью.

Выбор графита для ваших тепловых задач

При выборе графита для термических применений важно учитывать несколько ключевых факторов:

• Рабочая температура — разные марки выдерживают различные температурные режимы, особенно если учитывается окисление.
• Приоритет теплопроводности — для одних задач важна максимальная теплопроводность, например, в полупроводниковой и LED промышленности, где используют графит с ультравысокой чистотой.
• Механическая прочность — критична для теплообменников и печей, где материал должен выдерживать частые циклы нагрева и охлаждения, и поэтому предпочитают марки с хорошей термостойкостью и ударопрочностью.
• Стоимость — баланс между ценой и характеристиками определяет выбор для массового и промышленного применения.

Типичные отраслевые варианты включают:

• Полупроводниковая и светодиодная промышленность — здесь востребован высокочистый графит с высокой теплопроводностью и минимальной примесью, обеспечивающий стабильность работы и эффективный отвод тепла.
• Теплообменники и промышленные печи — выбирают графит с хорошей теплопроводностью, но и высокой термостойкостью и термоустойчивостью к ударам, например, изостатический или экструзионный графит.
• Аэрокосмическая и ядерная сфера — обращают внимание на низкий коэффициент теплового расширения (низкий CTE), повышение устойчивости к радиации и способности работать при экстремально высоких температурах.

Для подбора оптимального материала удобно ориентироваться на каталоги производителей — например, на графит для литья или на специализированные виды такого материала, в зависимости от задач.

Правильный выбор гарантирует эффективное тепловое управление, снижение износа оборудования и оптимизацию себестоимости.

Стандарты испытаний тепловых свойств графита

Точные данные по тепловым свойствам графита достигаются благодаря стандартизированным методам испытаний. Вот основные стандарты и методики, которые используют в России и мире для оценки теплопроводности, теплоемкости, и коэффициента теплового расширения:

• ASTM C518 — широко применяется для измерения теплопроводности при невысоких и средних температурах с помощью теплового потока.
• ASTM E1461 (лазерный импульсный метод) — позволяет быстро и точно определить теплопроводность и тепловую диффузию, особенно полезен для материалов с анизотропией, таких как графит.
• ASTM E831 — метод термомеханического анализа (TMA) для точного определения коэффициента теплового расширения (CTE).
• Использование прибора NETZSCH LFA (лазерный анализатор теплового потока) — современный инструмент для оценки теплофизических характеристик от комнатной температуры до 3000°C.
• Дилатометрические методы — нужны для анализа расширения и сжатия образцов при разных температурах, особенно важных для оценки устойчивости графита в реальных условиях.

Эти стандарты и методы позволяют получить надежные и воспроизводимые данные, которые необходимы при выборе графита для различных промышленных приложений — от производства теплообменников до электроники. При подборе материалов учитывайте специфику вашего проекта и обращайтесь к проверенным вариантам, например, представленным в каталоге графитовых стаков Gotrays.

Использование правильной методики испытаний гарантирует, что свойства вашего графита будут точно соответствовать заявленным характеристикам и помогут избежать ошибок на стадии эксплуатации оборудования.